Около двух пятых всей воды, забираемой из озер, рек и колодцев в США, используется не для сельского хозяйства, питья или санитарии, а для охлаждения электростанций, которые вырабатывают электроэнергию из ископаемого топлива или ядерной энергии. Более 65 процентов этих заводов используют испарительное охлаждение, что приводит к появлению огромных белых шлейфов, которые поднимаются из их градирен, что может доставлять неудобства, а в некоторых случаях даже способствовать опасным условиям вождения.
Теперь небольшая компания, основанная на технологии, недавно разработанной в Массачусетском технологическом институте Исследовательской группой Варанаси, надеется сократить как потребности в воде на этих заводах, так и образующиеся шлейфы, а также потенциально помочь уменьшить нехватку воды в районах, где электростанции оказывают давление на местную водные системы.
Технология удивительно проста в принципе и теперь ее можно будет испытать в полном объеме на промышленных предприятиях, была более сложной задачей. Для этого потребовался практический опыт, который основатели компании получили при установке прототипов систем сначала на ТЭЦ MIT, работающей на природном газе, а затем на исследовательском ядерном реакторе MIT.
В этих сложных испытаниях, которые включали воздействие не только тепла и вибрации работающего промышленного предприятия, но и суровых зим Новой Англии, система доказала свою эффективность как в устранении парового шлейфа, так и в улавливании воды. Кроме того, она очищало воду в процессе, так что она была в 100 раз чище, чем поступающая охлаждающая вода. В настоящее время система готовится к полномасштабным испытаниям на коммерческой электростанции и на химическом заводе.
«Кампус как живая лаборатория»
Первоначально эта технология была задумана профессором машиностроения Крипа Варанаси для разработки эффективных систем рекуперации воды путем улавливания капель воды как из естественного тумана, так и из шлейфов градирен электростанций. Проект начался как часть исследования докторской диссертации Махера Дамака PhD ’18 при финансировании Центра технологий и дизайна MIT Tata для повышения эффективности систем сбора тумана, подобных тем, которые используются в некоторых засушливых прибрежных регионах в качестве источника энергии и питьевой воды. Эти системы, которые обычно состоят из пластиковых или металлических сеток, подвешенных вертикально на пути туманов, чрезвычайно неэффективны, улавливая лишь от 1 до 3 процентов капель воды, которые проходят через них.
Варанаси и Дамак обнаружили, что улавливание пара может быть намного более эффективным, если сначала нанести удар по крошечным каплям воды пучком электрически заряженных частиц или ионов, чтобы дать каждой капле небольшой электрический заряд. Затем поток капель проходит через проволочную сетку, подобную оконному экрану, которая имеет противоположный электрический заряд. Это приводит к тому, что капли сильно притягиваются к сетке, где они падают под действием силы тяжести и могут собираться в лотки, расположенные под сеткой.
Лабораторные тесты показали, что концепция работает, и исследователи, к которым присоединился Карим Халил, доктор философии ’18, выиграли в 2018 году Конкурс предпринимательства MIT на сумму 100 тысяч долларов за базовую концепцию. Возникшая компания, которую они назвали Infinite Cooling, с Дамаком в качестве генерального директора, Халилом в качестве технического директора и Варанаси в качестве председателя, немедленно приступила к работе по установке испытательной установки на одной из градирен Центральной коммунальной станции, работающей на природном газе Массачусетского технологического института. при финансовой поддержке Управления устойчивого развития Массачусетского технологического института. После экспериментов с различными конфигурациями они смогли показать, что система действительно может устранить шлейф и производить воду высокой чистоты.
Профессор Якопо Буонджорно из Департамента ядерной науки и техники сразу же обнаружил хорошую возможность для сотрудничества, предложив использовать исследовательский центр ядерной реакторной лаборатории Массачусетского технологического института для дальнейших испытаний системы с помощью инженера NRL Эда Блока. Благодаря своей круглосуточной работе и выбросам пара при более высоких температурах, установка могла бы обеспечить более строгие испытания системы в реальных условиях, а также доказать ее эффективность на реально действующем реакторе, лицензированном Комиссией по ядерному регулированию, что является важным шагом. в «снижении рисков», связанных с технологией, чтобы электроэнергетические компании могли быть уверены в системе.
После того, как система была установлена над одной из четырех градирен завода, испытания показали, что собираемая вода была более чем в 100 раз чище, чем питательная вода, поступающая в систему охлаждения. Также было доказано, что установка, в которой, в отличие от более ранней версии, сетчатые экраны устанавливались вертикально, параллельно потоку пара, вообще не влияла на работу установки. Видео испытаний наглядно демонстрирует, как как только питание включается в собирающую сетку, белый шлейф пара сразу полностью исчезает.
Высокая температура и объем шлейфа пара из градирен реактора представляют собой «своего рода наихудший сценарий с точки зрения шлейфов, — говорит Дамак, — так что, если мы сможем это уловить, мы сможем уловить что угодно».
По словам Варанаси, работа с лабораторией ядерных реакторов Массачусетского технологического института «была весьма важным шагом, поскольку она помогла нам протестировать ее в масштабе… Это действительно подтвердило качество воды и производительность системы». Этот процесс, по его словам, «показывает важность использования кампуса в качестве живой лаборатории. Он позволяет нам проводить подобные эксперименты в большом масштабе, а также продемонстрировал способность устойчиво сокращать водный след кампуса».
Далеко идущие преимущества
Шлейфы электростанций часто считаются бельмом на глазу и могут привести к сопротивлению местных жителей новым электростанциям из-за возможности закрыть обзор и даже из-за потенциальных опасностей дорожного движения, когда затемняющие шлейфы проносятся по проезжей части. «Возможность удалять шлейфы может быть важным преимуществом, позволяя размещать растения в местах, которые в противном случае могли бы быть ограничены», — говорит Буонджорно. В то же время система могла бы удалить значительное количество воды, используемой растениями, а затем потерянной в небе, потенциально снижая нагрузку на местные водные системы, что может быть особенно полезно в засушливых регионах.
Система, по сути, представляет собой процесс дистилляции, и производимая ею чистая вода может поступать в котлы электростанции, которые отделены от системы охлаждения, для которых требуется вода высокой чистоты. Это может снизить потребность как в пресной воде, так и в системах очистки для котлов.
Более того, во многих засушливых прибрежных районах электростанции охлаждаются непосредственно морской водой. Эта система по существу добавила бы к установке возможность опреснения воды за небольшую часть стоимости строительства новой автономной опреснительной установки и за еще меньшую часть ее эксплуатационных расходов, поскольку тепло по существу предоставлялось бы бесплатно.
Загрязнение воды обычно измеряется путем проверки ее электропроводности, которая увеличивается с увеличением количества солей и других загрязнителей, которые в ней содержатся. Халил объясняет, что вода, используемая в системах охлаждения электростанций, обычно составляет 3000 микросименс на сантиметр, в то время как водоснабжение в городе Кембридж обычно составляет около 500 или 600 микросименс на сантиметр. По его словам, вода, улавливаемая этой системой, обычно составляет менее 50 микросименс на сантиметр.
Благодаря проверке, полученной в результате испытаний на заводах Массачусетского технологического института, компания теперь смогла обеспечить условия для своих первых двух установок на действующих промышленных предприятиях, которые должны начаться позже в этом году. Одна из них — это электростанция мощностью 900 мегаватт, где производство чистой воды будет основным преимуществом, а другая — на химическом заводе на Среднем Западе.
По словам Варанаси, во многих местах электростанции должны платить за воду, которую они используют для охлаждения, и ожидается, что новая система сократит потребность в воде до 20 процентов. По его словам, для типичной электростанции только на это можно сэкономить около миллиона долларов в год на расходах на воду.
«Инновации были отличительной чертой коммерческой индустрии США более шести десятилетий», — говорит Мария Г. Корсник, президент и генеральный директор Института ядерной энергии, которая не принимала участия в исследовании. «Поскольку изменение климата влияет на все аспекты жизни, включая глобальное водоснабжение , компании по всей цепочке поставок вводят новшества в поисках решений. Тестирование этой инновационной технологии в Массачусетском технологическом институте обеспечивает ценную основу для ее рассмотрения в коммерческих приложениях».
Иллюстрация: Градирня атомной станции Массачусетского технологического института продемонстрировала эффективность новой системы рекуперации воды. На правой стороне башни установлена новая система, устраняющая шлейф пара, в то время как необработанная левая сторона продолжает производить устойчивый поток пара. Предоставлено: Массачусетский технологический институт.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК